JP2004240082A - 水力学実験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の力学を学習する上で、圧力測定、風速測定、流量測定及び管路抵抗に関する実験を体験し、圧力測定装置の原理や流体運動に関する定理の理解を深める水力学実験装置を提供することである。
【解決手段】空気を供給する送風部２と、この送風部２に一の端部を接続され空気流の流路を形成する管路部３と、この管路部３の表面に前記空気流の進行方向に所定の距離を隔てて穿設され前記空気流の静圧を測定する少なくとも２の静圧測定孔５と、これらの静圧測定孔の内少なくとも１の静圧測定孔７が穿設される位置を一部として含む前記管路部３の周方向表面のいずれかに位置し前記管路部３外部から管路部３内部に向かって挿通され前記空気流の全圧を測定するピトー管１０と、前記管路部３の他端部に接続されるオリフィス部１５からなる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水力学実験装置に係わり、特に流体を空気とした実験装置で圧力測定、風速測定、流量測定及び管路抵抗を学習するための要素を含む水力学実験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、流体の力学などを学習するとき、実際の現象を体験しながら流体に関する数式の意味を現象上で確認することができれば、理解が容易になり興味や意識の向上につながると考えられる。しかしながら、これらの実験装置は大掛かりになるために机上での理論的な学習とは切り離された形で行われることが多いのが実情である。
【０００３】流体に関する実験装置として、例えば、特許文献１には、「流動振動実験装置」として「流体の流路で流れを受ける構造物を振動させる加振器と、前記構造物にかかる荷重を測定する荷重計と、前記構造物の振動変位を測定する変位計と、前記荷重計と変位計との信号を入力し、前記構造物の流れによる流体力を求め、この流体力とあらかじめ入力した実現したい仮想の構造物の振動特性データとから実現したい仮想の構造物の振動変位を算出し、その算出した振動変位と前記変位計で測定した振動変位とが一致するように前記加振器の振動を制御する制御装置を備えたことを特徴とする流体振動実験装置」が開示されている。
この特許文献１に開示された発明では、構造物の振動特性を制御装置の係数だけで設定することができるので、構造物の重量等を変更する場合に実験装置を解体して構造物を取り替える必要がなく、制御装置中の係数の変更で対応できるので、手間と時間と費用の節約ができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−６２２９７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の技術においては、化学プラントや原子力発電プラント等の各種プラント内やビル等の流れを受ける構造物における流動振動の特性を調べることはできるが、流体の力学に関する基本的な現象を実験するものではなく、学習するという目的に対して沿うものでもない。従って、前述のような物理量の測定を行いながら、動圧と静圧の関係や管内の流速分布を学習したり、ベルヌーイの方程式の意味を理解するためのものとして簡単に利用することができないという課題があった。
【０００６】本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、流体の力学を学習する上で、圧力測定、風速測定、流量測定及び管路抵抗に関する実験を体験し、圧力測定装置の原理や流体運動に関する定理の理解を深める水力学実験装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である水力学実験装置は、空気を供給する送風部と、この送風部に一の端部を接続され空気流の流路を形成する管路部と、この管路部の表面に空気流の進行方向に所定の距離を隔てて穿設され空気流の静圧を測定する少なくとも２の静圧測定孔と、これらの静圧測定孔の内少なくとも１の静圧測定孔が穿設される位置を一部として含む管路部の周方向表面のいずれかに位置し、管路部外部から管路部内部に向かって挿通され空気流の全圧を測定するピトー管と、管路部の他端部に接続されるオリフィス部を有するものである。
【０００８】上記構成の水力学実験装置においては、送風部は管路部へ空気を供給し、管路部に空気流を形成するという作用を有する。また、この空気流によって生じる管路部への圧力は静圧測定孔より静圧が測定され、ピトー管により全圧が測定されるという作用を有する。さらに、管路部の端部のオリフィス部はオリフィス部の下流を大気に開放するという作用を有する。
【０００９】また、請求項２に記載の発明である水力学実験装置は、請求項１に記載の水力学実験装置において、管路部の上流部分に整流部を具備するものである。
上記構成の水力学実験装置においては、請求項１に記載の発明の作用に加えて、整流部は空気流を整えてその下流における静圧あるいは全圧の測定を容易にするという作用を有する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る水力学実験装置の実施の形態を図１乃至図３に基づき説明する。（請求項１及び請求項２に対応）
図１は本実施の形態に係る水力学実験装置の概念図である。図１において、本実施の形態における水力学実験装置１は、アクリル管３の一端に第１のフランジ１３を介して送風機２が連結され、他端には第２のフランジ１４を介してオリフィス１５が連結されている。
また、アクリル管３の上流部分には細い径の円管を束ねて構成される整流装置４が設けられ、この整流装置４を挟んで上流側に第１の静圧測定孔５が、下流側に第２の静圧測定孔６がアクリル管３の上部面に穿設され、アクリル管３の下流部分には第３の静圧測定孔７と第４の静圧測定孔８がアクリル管３の上部面に穿設されている。
【００１１】そして、第３の静圧測定孔７が穿設された位置の周方向表面であって、この第３の静圧測定孔７と直角となる位置には、ピトー管１０が移動可能にアクリル管３に挿通されている。ピトー管１０の移動は、移動装置１２によってアクリル管３の内部の断面を壁面から管路の中央部まで正確に制御することができる。なお、静圧測定孔から伝達される静圧の測定にはＵ字管マノメータ９を、ピトー管１０による全圧の測定には傾斜型マノメータ１１を用いている。これらの機器は台座１６の上に設置されており運搬及び移設が可能である。
【００１２】このように構成された本実施の形態においては、送風機２から供給される空気によってアクリル管３内に空気流が形成される。この空気流によって生じる圧力のうち、静圧測定孔によって静圧が測定され、ピトー管１０によって全圧が測定される。また、ピトー管１０は管壁から管央まで移動可能なのでアクリル管３の断面内に亘って圧力分布を測定することができる。さらに、整流装置４によって空気流は整えられるので、理論に沿ったより精度の高い実験結果を得ることができる。そして、オリフィス１５はその下流側を大気に開放するので、アクリル管３内での圧力損失を大きくすることなく空気流の乱れの影響を小さくすることができる。
【００１３】次に、本実施の形態に係る水力学実験装置について図２及び図３を参照にしながら詳しく説明する。
図２は、本実施の形態に係る水力学実験装置の上面図である。図２において、本実施の形態における水力学実験装置１の送風機２に連結されたアクリル管３は内径が７４ｍｍで全長が１０００ｍｍであり、上流端から７５ｍｍの位置に第１の静圧測定孔５、２００ｍｍの位置に第２の静圧測定孔６、８５０ｍｍの位置に第３の静圧測定孔７及び９２５ｍｍの位置に第４の静圧測定孔８が穿設されており、それぞれＵ字管マノメータ９に接続されている。また、これらの静圧測定孔の直径は１．４ｍｍである。
そして、アクリル管３の上流端から９０ｍｍの位置から整流装置４が設けられており、この整流装置４にはポリプロピレン製の市販のストローを９０ｍｍに切断し１２０本組み込んだものを採用している。
【００１４】ピトー管１０はアクリル管３の直径が小さいことより標準型のものではなく、直径１．２ｍｍ、内径０．８ｍｍの円柱型の真鍮パイプに直径０．６ｍｍの全圧測定孔を開けたものを使用している。この全圧測定孔は傾斜型マノメータ１１に接続されている。図２において、ピトー管１０は第３の静圧測定孔７に対して直角位置から挿入され、アクリル管３の断面方向の移動が可能になっている。この移動は移動装置１２によって正確に行うことができる。
送風機２は、アクリル管３の内径、設定風速、整流装置、管路抵抗及びオリフィス等の抵抗から、定格出力２００Ｗ、電圧１００Ｖ（単相）及び最大風量７．５ｍ^３／ｍｉｎのものを使用している。
なお、アクリル管３、整流装置４、ピトー管１０及び送風機２は上記の仕様以外の仕様でもよく、静圧測定孔の位置についても上記のように限定されるものではない。
【００１５】図３は、本実施の形態に係る水力学実験装置の正面図である。図３において、本実施の形態における水力学実験装置１は、Ｕ字管マノメータ９と傾斜型マノメータ１１の間に送風機２とアクリル管３が設置されている。
Ｕ字管マノメータ９には、４本のＵ字管が設けられており、Ｕ字管の内部には水が封入されている。また、Ｕ字管の第１の接続孔１７、第３の接続孔１９、第５の接続孔２１及び第７の接続孔２３は大気に開放されている。さらに、第２の接続孔１８は図２に示される第１の静圧測定孔５へ、第４の接続孔２０は図２に示される第２の静圧測定孔６へ、第６の接続孔２２は第３の静圧測定孔７へ、そして、第８の接続孔２４は第４の静圧測定孔８へそれぞれ管を介して接続されている。
【００１６】一方、傾斜型マノメータ１１には、傾いたガラス管２５と目盛盤２６が設けられており、ガラス管２５の液柱はこのガラス管２５に沿った目盛によって読み取り、ガラス管２５の角度は目盛盤２６によって読み取られる。また、傾斜型マノメータ１１には、ガラス管２５の一端に接続される貯水タンク２７が設けられており、第９の接続孔２８はピトー管１０の全圧測定孔へ、第１０の接続孔２９は第３の静圧測定孔７へ、それぞれ圧力伝達可能な管（図示せず）を介して接続されている。さらに、圧力測定時にのみ通管させる切換スイッチ３０が設けられている。切換スイッチ３０は、第９の接続孔２８を貯水タンク２７へ通管すると同時に第１０の接続孔２９を傾いたガラス管２５の上端部へ通管する状態、すなわち動圧測定状態と、第９の接続孔２８と第１０の接続孔２９を通管すると同時に貯水タンク２７とガラス管２５の上端部を通管する状態、すなわち非測定状態の切換を行うものである。
なお、第３の静圧測定孔７から伝達される静圧は、管を分岐させることによって、Ｕ字管マノメータ９の第５の接続孔２１と傾斜型マノメータ１１の第９の接続孔２８の両方に並列に伝達される。
【００１７】ここで、本実施の形態に係る水力学実験装置を用いた学習方法について説明する。まず、水力学実験装置１を動作させることによって、空気の流れを実際に体験することで流体の一般的性質や圧力についての学習への理解を深めることができる。また、流体運動に関するベルヌーイの定理を学習し、その応用として流体計測方法の原理を理解することができる。
【００１８】次に、マノメータを動かして液柱の変化を観察し、マノメータの原理を学習することができる。マノメータは液柱の高さを測定して圧力を求める圧力計であり、圧力差Δｐは次式（１）のように算出される。なお、本実施の形態におけるＵ字管マノメータ９及び傾斜型マノメータ１１では液柱に水を用いている。
【数１】

Ｕ字管マノメータ９では大気との圧力差Δｐを静圧として測定しており、アクリル管３の長さ方向に設けた第１の静圧測定孔５、第２の静圧測定孔６、第３の静圧測定孔７及び第４の静圧測定孔８から測定される静圧の変化より、管路の管摩擦損失に関する知見を得ることができる。また、整流装置４の前後に設けた第１の静圧測定孔５及び第２の静圧測定孔６から測定される静圧の変化より、整流装置４の抵抗損失に関する知見を得ることができる。
【００１９】図４は、アクリル管の静圧の変化を本実施の形態に係る水力学実験装置において測定した結果を示すものである。図４において、横軸は送風機２出口からの距離を示し、縦軸はＵ字管マノメータ９の液柱の高さを示している。また、４つの測定点が示されているが、これは送風機２からの距離で短いものからそれぞれ第１の静圧測定孔５、第２の静圧測定孔６、第３の静圧測定孔７、第４の静圧測定孔８における測定値を示している。第１の静圧測定孔５から第２の静圧測定孔６において液柱の高さが急激に下がっているのは、市販のストローを用いて作成した整流装置４における摩擦による圧力損失が、それ以降のアクリル管３における摩擦による圧力損失よりも大きいからである。
【００２０】また、第３の静圧測定孔７と第４の静圧測定孔８における液柱の高さの上昇は、アクリル管３の下流側端部に設置されたオリフィス１５によって空気流がせき止められることによって、空気流の動圧分が静圧に変換されて上昇したものと考えられる。
本実施の形態によれば、図４に示されるようなグラフも測定結果から簡単に作成することができ、摩擦損失に関する基礎的な知見を容易に得ることが可能である。
【００２１】一方、傾斜型マノメータ１１では、ピトー管１０の全圧と第３の静圧測定孔７からの静圧との圧力差Δｐ、すなわち動圧を測定している。
管路の風速Ｖは、トリチェリーの定理と数１より次式（２）のように算出される。
【数２】

したがって、圧力差Δｐを測定すると式（２）を用いて風速Ｖを算出することができる。但し、この場合のピトー管係数は１とみなして処理する。もちろんピトー管検定を実施してピトー管係数を算出して行うことによればよりよい精度を実現可能であることは言うまでもない。ピトー管１０は移動装置１２によってアクリル管３の断面方向に移動可能であるので、断面方向にピトー管１０を移動させて圧力差Δｐを測定し、断面方向の風速Ｖを算出すると速度分布に関する知見を得ることができる。また、送風機２の回転数を変化させると風速が変化するので、数種類の風速における管内の静圧や速度分布を計測することもできる。
【００２２】図５は、アクリル管内の風速分布を本実施の形態に係る水力学実験装置を用いて計測した結果を示すものである。図５において、横軸はアクリル管３の中心からの位置を示し、縦軸は風速を示すものである。図５に示される風速分布によれば、アクリル管３の内部において壁面から中心に向かって風速が早くなっていることがよく理解される。なお、図５においては、完全乱流域にあると考えられるレイノルズ数条件下においても、風速分布が放物線に近い状態となってしまうものの、概ね良好な風速分布を測定することができる。
従って、本実施の形態においては図５に示されるようなアクリル管内における風速分布も容易に測定可能であり、流体力学の基礎的なベルヌーイの定理やトリチェリーの定理などを身をもって体験しながら理解することができる。
【００２３】さらに、アクリル管３内の風量については、上記の速度分布より求めることができる。具体的に説明すると、それぞれの測定管径における風速Ｖを微小環状面積の代表値として、その積を求めれば微小環状面積を通る風量が求まるので、それらを管中心から管壁までを加えることで全体の風量を算出することができるのである。
【００２４】オリフィスを通る風量については、空気を非圧縮と考えると本実施の形態における水力学実験装置１の圧力は低いので、上記のピトー管１０の測定から得られる風量と同値とみなすとことができる。
したがって、第４の静圧測定孔８から得られる静圧とオリフィス下流側の大気圧の圧力差を算出して、この圧力差と上記のピトー管１０の移動測定による速度分布から得られる風量の関係を調べると、この関係はほぼ直線で表され、オリフィス前後の静圧を測定することで風量を予測することができることを実験において確認することができる。
【００２５】この関係を具体的に示したのが図６である。図６において、横軸はＵ字管マノメータ９の液柱の高さを示し、縦軸はピトー管１０によって測定された風量を示すものである。送風機２による風量を変化させながらプロット点をとりグラフにまとめたものである。
この図６からオリフィス１５前後の静圧を測定することで風量を予測可能であることが確認可能である。
【００２６】また、管路では各種の損失が生じるが、この管路における損失に関する学習を行った後に、管摩擦損失式を用いて整流装置４の下流側の第２の静圧測定孔６から測定される静圧とピトー管１０と同一周方向に位置する第３の静圧測定孔７から測定される静圧との差を予測し、実験値との比較を行うことによって管路抵抗に関する学習への理解を深めることができる。但し、この際にはピトー管１０から求めた風量を断面積で割った値を平均風速として用いる。
さらに、送風機２の送風量を変化させることによって、層流、乱流やレイノルズ数について学習が可能となる。そして、オリフィス１５の出口に抵抗板を置くと運動量の実験も可能である。
【００２７】このように構成された本実施の形態においては、水力学におけるベルヌーイの定理やトリチェリーの定理など基本的な理論を机上で学習しながら実験を体験することで、理論と実験による測定から得られる知見を総合的に身をもって理解し、記憶に長くとどめることが可能であると同時に、実際に体験することで興味や学習意識の向上を効果的に図ることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１に記載の水力学実験装置においては、送風部は管路に空気流を形成し、この空気流による管部への静圧は静圧測定孔から、全圧はピトー管から測定することができる。
また、管路部の端部にオリフィス部を設けると、オリフィス部の下流は大気に開放され、空気流の乱れの影響を小さくすることができる。
さらに、水力学実験装置を動かすことによって、水力学に関する基本的な定理や装置の原理についての学習への理解を深めると同時に記憶に長くとどめ、しかも実体験を通じて興味や学習意識の向上を図ることができるという効果を有する。
【００２９】特に、本発明の請求項２に記載の水力学実験装置においては、整流装置を設けることにより空気流を整えることができ、より優れた実験結果を得ることが可能であると同時に、管路部とは異なる圧力損失部を形成することで圧力損失に関してより深い理解が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る水力学実験装置の概念図である。
【図２】本実施の形態に係る水力学実験装置の上面図である。
【図３】本実施の形態に係る水力学実験装置の正面図である。
【図４】本実施の形態に係る水力学実験装置を用いてアクリル管の静圧の変化を測定した結果を示すものである。
【図５】本実施の形態に係る水力学実験装置を用いてアクリル管内の風速分布を計測した結果を示すものである。
【図６】本実施の形態に係る水力学実験装置を用いてオリフィス部における液柱と風量の関係を測定した結果を示すものである。
【符号の説明】
１…水力学実験装置 ２…送風機 ３…アクリル管 ４…整流装置 ５…第１の静圧測定孔 ６…第２の静圧測定孔 ７…第３の静圧測定孔 ８…第４の静圧測定孔 ９…Ｕ字管マノメータ １０…ピトー管 １１…傾斜型マノメータ １２…移動装置 １３…第１のフランジ １４…第２のフランジ １５…オリフィス １６…台座 １７…第１の接続孔 １８…第２の接続孔 １９…第３の接続孔 ２０…第４の接続孔 ２１…第５の接続孔 ２２…第６の接続孔 ２３…第７の接続孔 ２４…第８の接続孔 ２５…ガラス管 ２６…目盛盤 ２７…貯水タンク ２８…第９の接続孔 ２９…第１０の接続孔 ３０…切換スイッチ

Claims (2)

1. 空気を供給する送風部と、この送風部に一の端部を接続され空気流の流路を形成する管路部と、この管路部の表面に前記空気流の進行方向に所定の距離を隔てて穿設され前記空気流の静圧を測定する少なくとも２の静圧測定孔と、これらの静圧測定孔の内少なくとも１の静圧測定孔が穿設される位置を一部として含む前記管路部の周方向表面のいずれかに位置し前記管路部外部から管路部内部に向かって挿通され前記空気流の全圧を測定するピトー管と、前記管路部の他端部に接続されるオリフィス部とを有することを特徴とする水力学実験装置。
2. 前記管路部の上流部分に整流部を具備したことを特徴とする請求項１記載の水力学実装置。

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